聚乙烯閥門密封及扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉艷軍，韓志凌，趙海賢

(1.承德石油高等?？茖W(xué)校機(jī)械工程系，河北 承德 067000;2.承德石油高等專科學(xué)校電氣與電子工程系，河北 承德 067000;3.河北省儀器儀表工程技術(shù)研究中心，河北 承德 067000)

聚乙烯閥門具有重量輕、耐腐蝕、耐低溫、耐應(yīng)力開裂、抗老化、電絕緣、耐磨性好、易安裝等優(yōu)點(diǎn)，在全國(guó)范圍內(nèi)得到了迅速應(yīng)用［1］，圖1所示為聚乙烯閥門的結(jié)構(gòu)。閥門損壞引起燃?xì)庑孤稌?huì)危害人身、財(cái)產(chǎn)安全，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定此類閥門在出廠前要逐個(gè)進(jìn)行密封性及開閉閥門的操作扭矩檢測(cè)［2］。由于聚乙烯閥門自身存在焊縫，在軸向力作用下焊縫容易受損影響密封性，故在檢測(cè)試驗(yàn)過程中閥門要避免承受軸向力。為此，試驗(yàn)設(shè)備除了采用特殊的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之外，其控制系統(tǒng)必須滿足定位精確，運(yùn)行穩(wěn)定可靠的要求。

1 試驗(yàn)機(jī)的組成結(jié)構(gòu)及工作原理

此試驗(yàn)機(jī)用來完成聚乙烯閥門密封性能檢測(cè)及開閉閥門時(shí)旋轉(zhuǎn)扭矩的測(cè)量，適用于dn160規(guī)格的閥門，亦可通過更換夾具檢測(cè)dn63、dn90、dn110三種規(guī)格。如圖2為試驗(yàn)機(jī)的主體結(jié)構(gòu)示意圖，其運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括封堵閥門兩端部的橫向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，開閉閥門的縱向升降機(jī)構(gòu)和旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。閥門兩端封堵后可進(jìn)行密封性檢測(cè)試驗(yàn)，縱向機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)閥門的開閉，檢測(cè)操作扭矩。

2 控制系統(tǒng)組成

試驗(yàn)機(jī)橫向和縱向運(yùn)動(dòng)采用電缸做驅(qū)動(dòng)，電缸相對(duì)于氣缸具有定位精確，穩(wěn)定耐用的優(yōu)點(diǎn)。開閉閥門的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)由異步電機(jī)拖動(dòng)減速機(jī)實(shí)現(xiàn)。閥門內(nèi)部的充放氣通過四位二通電磁閥控制氣源的通斷來實(shí)現(xiàn)。

本試驗(yàn)機(jī)測(cè)試的閥門為 90°旋轉(zhuǎn)閥門。按照GB15558.3－2008規(guī)定的試驗(yàn)條件，開閉閥門的最大操作扭矩為300 N·m?？刂葡到y(tǒng)由檢測(cè)環(huán)節(jié)、控制環(huán)節(jié)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)三部分組成，如圖3所示。檢測(cè)環(huán)節(jié)包括對(duì)電缸行程進(jìn)行定位的接近開關(guān)，檢測(cè)開閉閥門是否到位的接近開關(guān)，測(cè)量開閉閥門操作扭矩的扭矩傳感器以及檢測(cè)充放氣壓力的壓力傳感器?？刂骗h(huán)節(jié)包括可編程邏輯控制器(Programmable Logical Controller，PLC)和人機(jī)交互界面(Human-machine Interface，HMI)，PLC負(fù)責(zé)采集傳感器的檢測(cè)信息并據(jù)此進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作控制，HMI供操作者操控、記錄試驗(yàn)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，PLC與HMI組成控制系統(tǒng)的核心。執(zhí)行機(jī)構(gòu)為電缸、減速電機(jī)、電磁閥。

3 PLC與HMI選型及I/O地址定義

本試驗(yàn)機(jī)要求運(yùn)動(dòng)定位精度高，開閉閥門時(shí)的扭矩能夠?qū)崿F(xiàn)動(dòng)態(tài)測(cè)量記錄。具備手動(dòng)與自動(dòng)兩種工作模式，手動(dòng)操作利用觸摸屏上的觸摸按鍵控制相應(yīng)機(jī)構(gòu)動(dòng)作。自動(dòng)模式下除裝卸閥門外其它動(dòng)作均能夠自動(dòng)完成。因此，控制系統(tǒng)采用PLC+HMI的方案，其中PLC選用臺(tái)達(dá)DVP-SA2系列，本系列PLC主機(jī)點(diǎn)數(shù)是12(8DI+4DO)，最大I/O點(diǎn)數(shù)492個(gè)，程序容量16K Steps，內(nèi)置1個(gè)RS-232口與2個(gè)RS-485口［3］。HMI型號(hào)為DOP-B07S410，其具有存儲(chǔ)容量大，傳輸速度快，內(nèi)置USB接口，能夠連接打印機(jī)等特點(diǎn)。

依據(jù)試驗(yàn)機(jī)的控制要求，PLC的I/O地址定義如表1所示。其中輸入元件分別用于檢測(cè)位置信息和操作扭矩，輸出元件分別用于控制電機(jī)和電磁閥的動(dòng)作。圖4是對(duì)應(yīng)的PLC輸入輸出口接線圖。

表1 I/O地址分配表

4 控制流程與程序設(shè)計(jì)

閥門最初處于關(guān)閉狀態(tài)，左右腔室不導(dǎo)通。自動(dòng)檢測(cè)閥門的動(dòng)作過程分六個(gè)步驟。第一，橫縱兩向推桿回原位。即橫縱兩向推桿分別處于后限位的位置。第二，閥門的定位和固定。首先，橫向推桿前進(jìn)到位將閥門兩端預(yù)封堵。其次，縱向推桿下降將開閉閥門的專用接口與閥門頂部的旋轉(zhuǎn)帽連接可靠。最后，通過閥門兩端的高性能密封裝置將閥門內(nèi)腔可靠密封，為后續(xù)檢測(cè)做好準(zhǔn)備。第三，閥門左腔室密封性及開閉閥門的操作扭矩檢測(cè)。閥門左腔室充氣加壓到0.6 MPa，保壓一定時(shí)間，在保壓期間檢測(cè)閥門的密封性，保壓時(shí)間到開啟閥門至全通狀態(tài)，開啟過程中記錄操作扭矩變化，最后閥門內(nèi)部排氣減壓至零，關(guān)閉閥門至全關(guān)狀態(tài)。第四，閥門右腔室密封性及開閉閥門的操作扭矩檢測(cè)。此步驟與前一步驟類似，區(qū)別在于從閥門右腔室加壓，排完氣后閥門依然處于全開狀態(tài)。第五，閥門左右腔室導(dǎo)通的情況下檢測(cè)密封性及關(guān)閉閥門的操作扭矩。首先，閥門內(nèi)部加壓至0.6 MPa保壓一定時(shí)間，在保壓期間檢測(cè)閥門的密封性。其次，保壓時(shí)間到關(guān)閉閥門至全斷狀態(tài)，關(guān)閉過程中記錄操作扭矩變化。最后，閥門內(nèi)部排氣減壓至零。第六，橫縱兩向推桿回原位。至此一個(gè)循環(huán)周期結(jié)束，下一個(gè)閥門的檢測(cè)依次重復(fù)上述第二至第六步的動(dòng)作。

依據(jù)控制流程編寫PLC程序。由于一個(gè)完整的流程中各動(dòng)作節(jié)點(diǎn)有嚴(yán)格的先后順序，并且在一個(gè)循環(huán)周期內(nèi)存在相同動(dòng)作重復(fù)出現(xiàn)的情況，如閥門的開閉，閥門內(nèi)腔的充放氣?；谶@一特點(diǎn)，在程序設(shè)計(jì)過程中可利用PLC內(nèi)部輔助繼電器M設(shè)置相應(yīng)動(dòng)作節(jié)點(diǎn)的標(biāo)志位，只有相關(guān)聯(lián)的標(biāo)志位M置位滿足后續(xù)動(dòng)作的運(yùn)行條件才能夠觸發(fā)相應(yīng)后續(xù)動(dòng)作，后續(xù)動(dòng)作產(chǎn)生的標(biāo)志位將前面動(dòng)作產(chǎn)生的標(biāo)志位復(fù)位。這種程序設(shè)計(jì)方法既滿足控制流程的邏輯關(guān)系又提高了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和抗干擾能力。

通過圖5閥門左腔室充氣保壓至右腔室充氣保壓過程控制部分程序分析標(biāo)志位的設(shè)置與應(yīng)用。在這一程序段中，閥門左側(cè)充氣置位M160，當(dāng)充氣壓力達(dá)到0.6 MPa觸發(fā)M161保壓標(biāo)志位1置位，啟動(dòng)定時(shí)器T0。延時(shí)時(shí)間到設(shè)定值，觸發(fā)M162保壓時(shí)間到標(biāo)志1置位，旋轉(zhuǎn)電機(jī)動(dòng)作打開閥門(此段程序未列出)。旋轉(zhuǎn)電機(jī)開啟閥門到位觸發(fā)X4，當(dāng)M162和X4均導(dǎo)通的情況下觸發(fā)M163閥門排氣標(biāo)志1置位，同時(shí)當(dāng)閥門內(nèi)壓力降為了零M10置位，觸發(fā)M164關(guān)閉閥門標(biāo)志1置位。當(dāng)閥門關(guān)閉到位X5導(dǎo)通時(shí)，觸發(fā)M165閥門右側(cè)充氣標(biāo)志1置位，當(dāng)充氣壓力達(dá)到設(shè)定值時(shí)M170置位，觸發(fā)保壓?jiǎn)?dòng)標(biāo)志2。據(jù)此思路可以完成整過流程的控制程序設(shè)計(jì)。

5 HMI控制畫面設(shè)計(jì)

采用臺(tái)達(dá)DOP-B07S410人機(jī)界面作為上位機(jī)，通過與PLC通訊實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)機(jī)的操作控制及扭矩記錄輸出。在上位機(jī)組態(tài)設(shè)計(jì)過程中，可利用PLC自帶的輔助繼電器M實(shí)現(xiàn)雙機(jī)之間的開關(guān)量信息傳遞，這樣可以大量降低對(duì)PLC硬輸入點(diǎn)的需求，從而節(jié)省了PLC的I/O點(diǎn)數(shù)，減少硬件數(shù)量降低成本［4-5］?？刂飘嬅婊谂_(tái)達(dá)DopSoft軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)。共設(shè)計(jì)手動(dòng)操作畫面、自動(dòng)操作畫面及輸出曲線畫面。

6 結(jié)論

本文提出了基于PLC+HMI的控制方案，應(yīng)用于聚乙烯閥門密封及扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)。重點(diǎn)分析了控制系統(tǒng)組成、控制流程及程序設(shè)計(jì)方法，提出了利用PLC內(nèi)部輔助繼電器充當(dāng)標(biāo)志位的程序設(shè)計(jì)方法。控制精度、可靠性方面滿足GB15558.3－2008規(guī)定的試驗(yàn)條件，現(xiàn)場(chǎng)使用證明，試驗(yàn)機(jī)的控制系統(tǒng)運(yùn)行可靠，操作方便，能滿足用戶使用要求。

［1］郝冰，周迎義，白春動(dòng).淺談聚乙烯壓力管件閥門制造的監(jiān)督檢驗(yàn)［J］.裝備制造技術(shù)，2010(4):165.

［2］馬洲，陳裕豐.燃?xì)庥寐竦鼐垡蚁?PE)管道系統(tǒng)第3部分:閥門［S］.GB15558.3－2008.

［3］DVP-PLC應(yīng)用技術(shù)手冊(cè)(程序篇)［Z］.臺(tái)達(dá)電子工業(yè)股份有限公司，2013.

［4］薛迎成.PLC與觸摸屏控制技術(shù)［M］.北京:中國(guó)電力出版社，2008.

［5］臺(tái)達(dá)觸摸屏編程手冊(cè)［M］.臺(tái)達(dá)電子工業(yè)股份有限公司，2013.